Файл: Лабораторная работа 1 Экспериментальное определение диаграммы деформирования материала при растяжении и сжатии.pdf

1
ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА
Инженерный колледж
Кафедра
«……………………………………………………….. »
О Т Ч Е Т
Лабораторная работа № 1
Экспериментальное определение диаграммы
деформирования материала при растяжении и сжатии
Дисциплина - Техническая механика
Выполнил: группа ………. .. курс ……….
…………………………………………. ………….
(фамилия, имя )
Преподаватель:
………………………………………… …………….
Оценка(балл): ………..
Махачкала 20..

2
Лабораторная работа № 1. Экспериментальное определение диаграммы
деформирования материала при растяжении и сжатии
Цель работы: изучение способа испытаний материалов на растяжение и
сжатие, изучение диаграммы деформирования пластичного и хрупкого материалов,
определение механических характеристик материалов при растяжении и сжатии.
Теоретические основы испытания материалов на растяжение [1].
Для испытания на растяжение используются специально изготовляемые образцы, которые большей частью вытачиваются из прутковых заготовок или вырезаются из листа. Основной особенностью таких образцов является наличие усиленных мест захвата и плавного перехода к сравнительно узкой ослабленной рабочей части.
Длина рабочей части l
РАБ
выбирается обычно в 15 раз большей диаметра
d.
При замерах деформаций используется только часть этой длины, не превышающая десяти диаметров. Существуют, однако, и более короткие образцы, у которых отношение
l
РАБ
/
d
равно 5.
Основной задачей испытания на растяжение является построение
диаграммы растяжения, т.е. зависимости между силой, действующей на образец,
и его удлинением.
На рисунке 2.1.1 показана типичная для углеродистой стали диаграмма испытания образца в координатах Р-Δl. Полученная кривая условно может быть разделена на следующие четыре зоны.
Рис. 2.1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
Зона OA носит название зоны упругости. Здесь материал подчиняется закону
Гука
На рисунке 2.1.1 этот участок для большей наглядности показан с отступлением от масштаба. Удлинения Δl на участке OA очень малы, и прямая OA, будучи вычерченной в масштабе, совпадала бы в пределах ширины линии с осью ординат.
Величина силы, для которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для высококачественных сталей эта величина имеет большее значение. Для таких металлов, как медь, алюминий, свинец,
она оказывается в несколько раз меньшей.

3
Зона АВ называется зоной общей текучести, а участок АВ диаграммы -
площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести АВ для металлов не является характерным. В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается, и диаграмма растяжения образца имеет вид кривых, изображенных на рисунке 2.1.2. Кривая 1 типична для алюминия и отожженной меди, кривая 2 -для высококачественных легированных сталей.
Рис. 1.2. Диаграммы деформирования меди (1) и легированной стали (2)
Зона ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более медленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться так называемая шейка - местное сужение образца. По мере растяжения образца утонение шейки прогрессирует. Когда относительное уменьшение площади сечения сравняется с относительным возрастанием напряжения, сила Р достигнет максимума (точка С). В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому
участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.
Для количественной оценки свойств материала диаграмму растяжения P=f(Δl) перестраивают в координатах σ и ε. Для этого необходимо уменьшить в F раз ординаты и в l раз абсциссы, где F и l - соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины постоянны, то диаграмма σ=f(ε)
(рисунок 2.1.3) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала.

4
Рис. 2.1.3. Диаграмма деформирования (напряжение - деформация)
Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется
пределом пропорциональности σ
ПЦ
Величина предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую. Степень отклонения кривой σ=f(ε) от прямой
σ=Еε определяют по величине угла, который составляет касательная к диаграмме с осью σ. В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/E. Обычно считают, что если величина dε/dσ оказалась на 50% больше, чем
1/E,
то предел пропорциональности достигнут.
Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости. Под пределом упругости σ
у
понимается такое наибольшее напряжение, до
которого материал не получает остаточных деформаций.
Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точности, которые накладываются на производимые замеры. Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости, принимают в пределах ε
ОСТ
= (1÷5)·10
-5
, т.е. 0,001÷0,005%. Соответственно этому допуску предел упругости обозначается через σ
0,001
или σ
0,005
Предел упругости и предел пропорциональности трудно поддаются определению и резко меняют свою величину в зависимости от условно принятой нормы на угол наклона касательной и на остаточную деформацию. Поэтому величины σ
ПЦ
и σ
у
в справочные данные по свойствам материалов обычно не включаются.
Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит
рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести условно принимается величина напряжения, при котором остаточная деформация ε
ОСТ
= 0,002 или
0,2% (рис. 2.1.4). В некоторых случаях устанавливается предел ε
ОСТ
= 0,5%.

5
Рис. 2.1.4. Определение условного предела текучести
Условный предел текучести обозначается через σ
0,2
и σ
0,5
В зависимости от принятой величины допуска на остаточную деформацию. Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.
Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его
начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности, или
временного сопротивления, и обозначается σ
ВР
.
Временное сопротивление σ
ВР
не есть напряжение, при котором разрушается образец.
Если относить растягивающую силу не к начальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в данный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение в наиболее узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем σ
ВР
. Таким образом, предел прочности также является условной величиной.
Удлинение при разрыве δ % представляет собой величину средней остаточной
деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине
образца. Определение δ% производится следующим образом.
Перед испытанием на поверхность образца наносят две риски на расстоянии l
0
=10d или l
0
=5d. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва. Далее, по имеющимся на поверхности рискам измеряют величину среднего удлинения Δl
0
на стандартной длине. Удлинение при разрыве будет следующим:
Диаграмма растяжения с учетом уменьшения площади F и местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжения (кривая OC'D' на рисунке
2.1.5).

6
Рис. 2.1.5. Истинная диаграмма растяжения
Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить (точка К, рисунок 2.1.6), то в процессе разгрузки зависимость между силой Р и удлинением Δl изобразится прямой KL (рисунок 2.1.6).
Рис. 2.1.6. Диаграмма деформирования с промежуточной разгрузкой
Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой OA. При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок LM). Отрезок OL представляет собой остаточное удлинение. Его называют также пластическим удлинением, а соответствующую ему деформацию - пластической деформацией. Таким образом,
Соответственно

7
Если образец был нагружен в пределах участка OA и затем разгружен, то удлинение будет чисто упругим, и Δl
ост
=0.
При повторном нагружении образца диаграмма растяжения принимает вид прямой
LK
и далее - кривой
KCD
(рис. 2.1.6) так, как будто промежуточной разгрузки не было.
Положим теперь, что испытываются два одинаковых образца, изготовленных из одного и того же материала. Один из образцов до испытания нагружению не подвергается, а второй - был предварительно нагружен силами, вызывавшими в образце остаточные деформации.
После испытаний первого образца диаграмма растяжения
OABCD
имеет вид, показанный на рисунке 2.1.7, а. При испытании второго образца отсчет удлинения будет производиться, естественно, от ненагруженного состояния и остаточное удлинение
OL
учтено не будет. В результате получается укороченная диаграмма
LKCD
(рис. 2.1.7, б). Отрезок
МК
соответствует силе предварительного нагружения. Таким образом, вид диаграммы для одного и того же материала зависит от степени начального нагружения (вытяжки), а само нагружение выступает теперь уже в роли некоторой предварительной технологической операции. Весьма существенным является то, что отрезок
LK
(рис. 2.2, а) оказывается больше отрезка
OA.
Следовательно, в результате предварительной вытяжки материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки. а) б)
Рис. 2.1.7. - Влияние предварительной пластической деформации на диаграмму деформирования
Явление повышения упругих свойств материла в результате предварительного пластического деформирования носит название наклепа, и широко используется в технике.

8
Теоретические основы испытания материалов на сжатие [1].
При испытаниях на сжатие используются короткие цилиндрические образцы,
высота которых превышает размеры поперечного сечения не более чем в два раза. При большей высоте сжатие образца сопровождается, как правило, его искривлением, искажающим результаты испытаний.
Основной задачей испытания на сжатие является построение диаграммы сжатия, т.е. зависимости между силой, действующей на образец, и его удлинением.
Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, называется пластичностью. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др.
Мерой пластичности является удлинение δ при разрыве. Чем больше 5, тем более пластичным считается материал. К числу весьма пластичных материалов относятся
отожженная медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали.
Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т.е. способность материала разрушаться без образования заметных пластичных деформаций.
Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2-5%, а в ряде случаев измеряется долями процента.
К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная
сталь, кирпич, стекло, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет
площадки текучести и зоны упрочнения.
При испытании на сжатие хрупкие и пластичные материалы ведут себя по-разному.
Для малоуглеродистой стали диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рисунке 2.1.8, а. Здесь обнаруживается площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем нагрузка не падает, как при растяжении, а резко возрастает. а) б)
Рис. 2.1.8. - Диаграммы деформирования при сжатии: а – пластического материала; б – хрупкого материала
Происходит это в результате того, что площадь поперечного сечения сжатого образца увеличивается, сам образец вследствие трения на торцах принимает бочкообразную форму
(рис. 2.1.9). Довести образец из пластичного материала до разрушения практически не

9 удается. Испытуемый цилиндр сжимается в тонкий диск, и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии σ
ВС
. Для такого рода материалов найден быть не может.
Рис. 2.1.9. - Изменение формы образца при сжатии
Иначе ведут себя при испытании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения (рис. 3.1, б).
Предел прочности хрупкого материала при сжатии σ
ВС
определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с образованием трещин по наклонным или продольным плоскостям.
Сопоставление предела прочности хрупких материалов при растяжении σ
ВР
с пределом прочности при сжатии σ
ВС
показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочностными показателями при сжатии, нежели при растяжении.
Величина отношения для чугуна колеблется в пределах 0,2÷0,4. Для керамических материалов: k=0,1÷0,2.
Для пластичных материалов сопоставление прочностных характеристик на растяжение и сжатие ведется по пределу текучести (σ
ТР
и σ
ТС
). Принято считать, что σ
ТР
≈
σ
ТС
Хрупкие материалы (чугун, бетон, кирпич и др.) лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению и поэтому они применяются для изготовления материалов, работающих на сжатие
(к примеру у бетона предел прочности на сжатие раз в 10 больше предела прочности на растяжение).
В силу чего хрупкие материалы применяются в основном в сжатых элементах конструкций, поэтому основным видом испытаний хрупких материалов является испытание на сжатие. Поэтому для их расчета на прочность необходимо знать механические характеристики, получаемые при испытании на сжатие.
Для чугуна на диаграмме сжатия почти отсутствует прямолинейный участок, т.е. закон Гука выполняется лишь приближенно в начальной стадии нагружения. Разрушение происходит внезапно при максимальной нагрузке с появлением ряда наклонных трещин, расположенных приблизительно под углом 45
о к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений.

10
Предел прочности при сжатии определяется по зависимости
Предел прочности чугуна на сжатие превышает предел прочности на растяжение в 4-
5 раз и предел прочности на изгиб в 2 раза.
Следует заметить, что характер деформации и разрушения образца зависят от сил трения между торцами образца и опорными плитами испытательной машины.
Путем периодической парафинной или графитовой смазки торцов можно устранить силы трения; при этом чугунный образец в течении всего испытания остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.
При сжатии бетона (цементного раствора, камня), рост нагрузки сопровождается упругими деформациями вплоть до разрушения, что вообще свойственно для хрупких материалов.
Характер разрушения образцов из бетона зависит от наличия сил трения между плитами машины и торцами образца. При их наличии, т.е., когда образец без смазки, разрушение происходит путем
выкрашивания материала у боковых поверхностей в средней части образца, а трещины образуются под углом 45
о к линии действия нагрузки. При сжатии образца со смазанными торцами разрушение имеет вид продольных трещин, т.е. материал расслаивается по линиям, параллельным действию сжимающей силы. Сравнение механических характеристик бетона показывает, что
предел прочности при сжатии в 10-20 раз превышает предел прочности при растяжении.
При испытании на сжатие образцов из дерева, имеющего волокнистую структуру, ярко проявляются его анизотропные свойства. Так при сжатии дерева вдоль волокон образец претерпевает небольшие остаточные деформации, могут образовываться поперечные складки и продольные трещины, а разрушение возникает вследствие сдвига одной части образца относительно другой . При сжатии поперек волокон после достижения некоторой нагрузки кубик продолжает деформироваться почти без увеличения сжимающей силы, подвергается прессованию и не всегда можно точно определить нагрузку, соответствующую началу разрушения. Поэтому предел прочности условно определяют при нагрузке, когда образец сжимается на одну треть от своей первоначальной высоты. Так для сухой древесины (с влажностью равной 15% при температуре 20
о
С) предел прочности на сжатие вдоль и поперек волокон отличается в 8-10 раз.
Предел прочности на растяжение больше предела прочности на сжатие примерно в 2 раза.
При расчете конструкций необходимо учитывать особенности сопротивления растяжению и сжатию пластичных и хрупких материалов.